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WO1995019637A1 - Particle beam, in particular ionic optic reproduction system - Google Patents

Particle beam, in particular ionic optic reproduction system Download PDF

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WO1995019637A1
WO1995019637A1 PCT/AT1995/000003 AT9500003W WO9519637A1 WO 1995019637 A1 WO1995019637 A1 WO 1995019637A1 AT 9500003 W AT9500003 W AT 9500003W WO 9519637 A1 WO9519637 A1 WO 9519637A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
wafer
mask
electrode
imaging system
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/AT1995/000003
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerhard Stengl
Alfred Chalupka
Herbert Vonach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH
Original Assignee
Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH filed Critical Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH
Priority to DE59502762T priority Critical patent/DE59502762D1/en
Priority to JP51872795A priority patent/JP3678749B2/en
Priority to US08/669,481 priority patent/US5801388A/en
Priority to EP95904959A priority patent/EP0739531B1/en
Publication of WO1995019637A1 publication Critical patent/WO1995019637A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/3002Details
    • H01J37/3007Electron or ion-optical systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/10Lenses
    • H01J37/12Lenses electrostatic
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    • H01J2237/04Means for controlling the discharge
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    • H01J2237/049Focusing means
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    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317Processing objects on a microscale
    • H01J2237/3175Lithography
    • H01J2237/31752Lithography using particular beams or near-field effects, e.g. STM-like techniques
    • H01J2237/31755Lithography using particular beams or near-field effects, e.g. STM-like techniques using ion beams

Definitions

  • each lithography step begins with the application of a thin layer of light-sensitive (or particle beam-sensitive) material, the so-called photoresist or "resist” for short, to a wafer, in particular made of silicon.
  • a lithography device projects the structure present on a mask in the form of one or more transparent locations onto the wafer provided with the resist. There may be optical elements between the mask and the wafer. The extent of the projected structure of the mask on the wafer is usually much smaller than the wafer. Following the projection, the wafer is shifted and the same structure of the mask is projected onto another location on the wafer.
  • This projecting and shifting process is repeated until the entire wafer surface is used.
  • the desired pattern is obtained on the wafer, for example in the form of resist-free areas.
  • the wafer can then be subjected to any of the known processing operations such as etching, ion implantation or application and diffusion of doping material.
  • the wafer is checked, again covered with resist, and the entire sequence of steps mentioned above is repeated approximately 10-20 times until a checkerboard-like arrangement of identical microcircuits is finally produced on the wafer.
  • Two collecting lenses between the mask and a wafer on the wafer have already been proposed by European patent application 93 890 058.6 to design at least one of the collecting lenses as a so-called three-electrode grating lens, which consists of two tubular electrodes, between which there is a third electrode, which is called Plate with a plurality of openings, preferably designed as a grating, the plate, in particular the grating, is arranged perpendicular to the optical axis, so that the lens is divided into two areas by the plate or grating, preferably to the three electrodes of different voltages are applied.
  • One of the lens areas of the three-electrode grating lens with a grating as the central electrode can have positive refractive power, but the second lens area can have negative refractive power, the absolute value of the refractive power of the lens area having negative refractive power (dispersing area) being less than the refractive power of the positive refractive lens area ( collecting area).
  • the image error coefficients can largely compensate for one another, despite the different absolute amounts of the refractive powers, if the diverging area has correspondingly larger 3rd order image errors than the collecting area.
  • three-electrode lenses with a grid as the central electrode also allows the mask-wafer distance to be reduced compared to known systems if the distortion values are related to the same image field size.
  • the depth of field of the imaging system is also significantly increased because the three-electrode lenses with grids as the middle electrode in each case only have very small image defects and therefore the compensation of the image defects in the lenses located between the wafer and the mask is less critical.
  • field lens or immersion lens is understood to be an arrangement of two coaxial, rotationally symmetrical electrodes (e.g. tubular) that are at different potentials.
  • Disturbances through the openings in the plate or through the grid openings can be reduced if the grid openings and their spacings are kept very small on the one hand (in the order of magnitude of micrometers) and on both sides of the grid, in the area of the illumination by the ion beam as similar as possible Field strengths are available.
  • the invention proposes the design of a particle, in particular ion-optical imaging system, preferably for lithography purposes, with a particle, in particular ion source for imaging a structure located on a mask film in the form of one or more transparent locations, in particular openings via at least two in the beam direction electrostatic lenses arranged in front of a wafer on the wafer, at least one of the lenses being a so-called grating lens, which is made up of one or two Tube electrode and a plate arranged in the beam path with openings is formed, the plate being arranged normal to the optical axis, before that according to the invention the plate is formed by the masking film which forms the middle or the first electrode of the grating lens in the beam direction.
  • the mask together with the electrode following in the ion beam direction form a diverging lens, the third-order image errors of which are compensated for by the subsequent collective lens (s) except for minimal residual values.
  • the ion-optical imaging system in which the mask represents the center electrode of a three-electrode grating lens, has a converging lens in the form of a field lens or an asymmetrical single lens as a further imaging element.
  • asymmetric single lens is to be understood as a three-electrode lens in which all electrodes are at different potentials.
  • Asymmetric single lenses are used because they have considerably smaller image defects than immersion lenses with equivalent imaging properties.
  • the first area practically represents the illuminating lens for the mask and the second area the diverging lens (negative refractive power), the errors of which are largely compensated for by the lenses following in the beam path.
  • a field lens follows in the beam path and then an asymmetrical single lens.
  • the aberrations the last lens before the wafer is compensated for by the errors of the diverging lens containing the mask and the subsequent lens.
  • the grating plane now becomes the object plane.
  • the openings in the mask form aperture lenses, as do the openings of the grating in the known design.
  • the mask is now the object to be imaged, which is imaged in the image plane, according to the optical laws, a slight change in the angle of the particles emerging from the mask openings is largely negligible in the effect on the imaging, since all emanate from an object point Particles are collected in one pixel.
  • the point of intersection of the beams lies in the field-free space in the beam direction in front of the last lens in front of the wafer, and thus between the field lens and the asymmetrical single lens.
  • the field lens accelerates the ions to an energy that is high enough that the so-called stochastic space charge effects (see below) are minimized.
  • the energy of the ions can optionally be reduced to the energy desired on the wafer.
  • FIG. 1 a schematic and simplified in a side view, shows the structure and beam path of an ion lithography system according to the invention of the first embodiment with a crossing point, with distortion correction
  • FIG. 1 b shows the analog view of the first embodiment without a crossing point
  • FIG. 2 shows an ion lithography system of the second embodiment Distortion correction
  • FIGS. 3a and b also ion lithography systems of the type shown in FIGS. 1a and 1b and FIG. 2 with correction of the chromatic error
  • FIG. 4 in axial longitudinal section a lens having three electrodes, the middle electrode being formed by the mask
  • 5 likewise in axial longitudinal section a combination of a converging lens according to FIG.
  • FIG. 4 with a further lens designed as a field lens and arranged in front of the wafer
  • FIG. 6 partly in axial longitudinal section and simplified, an ion projection device with a two-electrode grating lens, in 7, the course of the chromatic resolution error and the distortion as a function of the wafer position for an arrangement according to FIG. 6,
  • FIG. 8 a view analogous to that of FIG. 1b, but with a correction lens in front of the 9 and
  • FIG. 9 shows a planar section through a specific exemplary embodiment of an arrangement according to FIG. 6.
  • the ion-optical imaging system has an ion source Q for imaging a structure located on a mask M onto a wafer W.
  • the structure is present as at least one opening of the mask M.
  • two of the electrodes as illustrated in FIGS. 4 and 5, are designed as tube electrodes R1 and R2 and the third electrode arranged between these tube electrodes R1 and R2 is formed by the mask M.
  • the mask M is arranged perpendicular to the optical axis D of the imaging system and divides the lens LI into two areas P and N.
  • the three electrodes, namely the two tubular electrodes R 1 and R2 and the electrode formed by the mask M have different potentials Ul, U2 and U3. 1 in the drawing denotes the target beam and 2 the actual beam.
  • the lens area P has positive and the lens area N has negative refractive power, but the absolute amount of the refractive power of the lens area N having negative refractive power is less than the refractive power of the lens area P having positive refractive power, so that the total refractive power of the three-electrode lens G3 is positive.
  • the tube electrode R2 of the lens area N of negative refractive power smaller (about half as large) diameter as the part of the tube electrode Rl of the lens area P facing the mask with positive refractive power.
  • the tension (U3 - U0) / (U2 - UO) having between the electrodes of the negative refractive power lens portion N is also clotting he g (about a third) as the voltage ratio (U3 - U0) / (U 1 - UO) between the electrodes of the lens region P having positive refractive power, where UO is the potential at which the kinetic energy of the charged particles used becomes zero.
  • the same field strength is sought for the area that is illuminated by the ion beam.
  • the first area practically represents the illuminating lens for the mask and the second area the diverging lens (negative refractive power), the errors of which are largely compensated for by the subsequent converging lens L2.
  • the grating plane now becomes the object plane.
  • the openings in the mask practically form the openings of the grating, the mask openings having the same effect as the aperture lenses of the grating openings themselves.
  • the mask M which has the structure to be imaged in the form of openings in a film (for example made of silicon), is provided by an ion source Q with a very small virtual source size (approximately 10 ⁇ m) and this subsequent lighting device, which has two multipoles and one arranged between them Mass separator (eg ExB filter) and optionally a diagnostic system can be illuminated and located in a first embodiment between the terminal electrodes of the lens G3 consisting of three electrodes R1, R2 and M with an overall positive refractive power.
  • the lens G3 creates a crossover area (Cross-over) C, i. i a real image of the ion source Q behind its focal point on the image side.
  • the object-side focal point of the second converging lens L2 arranged in front of the wafer W is approximately at the location of the crossover C.
  • an image of the mask can also be produced without a crossing point in this arrangement. If the image is reduced, the telecentricity is lost, although very small angles (approx. 6 mrad) on the wafer are still possible.
  • a correction lens WL can be arranged according to the invention directly in front of the wafer (FIG. 8), through which the beams again strike the wafer almost axially parallel.
  • this correction lens can be formed in that a single, essentially tubular electrode is positioned directly in front of the wafer and has slightly different potential than this.
  • this electrode forms the so-called wafer lens WL, which again has a plate, namely the wafer itself, as an electrode and can therefore be operated as a diverging lens. This is the case if the potential at the electrode lying in front of the wafer is selected such that the ions are decelerated towards the wafer.
  • the distance between the mutually facing ends of the tubular electrodes R1, R2 is 135 mm.
  • the electrode designed as a mask M is arranged at a distance of 90 mm from the outlet opening of the tube electrode R 1, the diameter of the outlet opening being 600 mm, whereas the diameter of the inlet opening of the tube electrode R2 is 300 mm.
  • the outlet mouth of the tube electrode R2 is 675 mm away from the electrode designed as a mask M and the inlet mouth of the tube electrode R1 is 1350 mm in front of the mask forming the center electrode. In one The distance of 585 mm from the outlet mouth facing the mask M reduces the inside diameter of the tubular electrode R 1 from 600 to 300 mm.
  • the mask M forms the first electrode of the diverging gland G2.
  • the converging lens LI followed by the second converging lens L2, which lies in front of the wafer plane in the beam path and is designed as an asymmetrical SINGLE lens.
  • the potential of the last electrode of a lens is always the same as that of the first electrode of the subsequent lens, these two electrodes can each be physically formed as a single electrode, as can also be seen in FIG. 6.
  • the entire ion-optical column between the mask and the wafer can therefore also be regarded as a single “multi-electrode lens”, in this case as a five-electrode lens, which has different refractive regions, namely G2, LI and L2.
  • an illumination lens can also be provided in front of the mask (one that is not shown in FIG. 6).
  • the field strength before and after the mask is different in the arrangement according to FIG. 6, so that there are flies' eyes lens effects caused by the Openings in the mask M.
  • the electric field strength at the level of the mask M, which faces the second electrode is very small, and because the mask is the object to be imaged, the effect of these mini lenses is negligible.
  • the low field strength is desirable because, due to the work that a film moving in an electric field has to do, any vibrations of the mask M are avoided. This allows the mask M to be changed and set up quickly.
  • the image of the mask openings to be thrown onto the wafer W level with a telecentricity better than 2 mrad.
  • This high telecentricity results in a depth of field of about 10 ⁇ m in the plane of the wafer W.
  • the imaging scale and the resolution maintained even when the wafer position changes in the optical axis, but the particularly low distortion error can also be maintained.
  • the ion beam strikes a 60 ⁇ 60 mm 2 mask structure field at angles that are less than 1.5 ° at the edge of the mask field.
  • the mask openings can be realized in a 3 ⁇ m thick silicon foil with a slope of, for example, 3 °. In this way, line screens with an opening width of, for example, 0.45 ⁇ m can be realized in a 3 ⁇ m thick masking film without shadow errors due to the
  • Mask edges arise.
  • the distance between wafer W and mask M is, for example, 2171.51 mm and the largest diameter is 1180 mm.
  • the devices according to the invention have the following properties: a) In the case of arrangements with crossover, the beam is generally given by the converging lens G3N (FIG. 1) or G2 which follows the mask M and / or contains it and LI (FIG. 2) a pillow-shaped residual distortion (area A) which, after the crossover, changes into a barrel-shaped residual distortion (area B).
  • FIGS. 1 a and 2 illustrate that the distortion of the converging lens L2 arranged in front of the wafer W gives the rays an additional deflection, which reduces the region B of barrel distortion and generates an area A 'of pillow distortion adjoining the barrel barrel distortion.
  • FIG. 1b in the case of the arrangement without crossover, the pillow-shaped distortion generated by the converging lens G3N is reduced by the lens L2 and finally converted into a barrel-shaped distortion (area B).
  • the depth of field is also in the range of only a few tenths of a ⁇ m.
  • the surface of the wafer In order to be able to produce integrated circuits with this shallow depth of field, the surface of the wafer must be leveled in the light optics and the lithography may only take place in the top layer (“top surface imaging”), which is associated with high costs.
  • the wafer lens WL can be used to minimize the chromatic error.
  • Stochastic particle deflections are dealt with, for example, in the work "stochastic ray-deflections in focused particle beams" by A. Weidenhausen, Speer and H.Rose in Optik 69 (1985), pages 126 to 134.
  • the stochastic space charge effect leads to resolution errors in the imaging, ie to a reduction in the maximum achievable resolution of the ion optics.
  • the strength of this effect depends, among other things, on the energy at the cross-over, namely according to the above work according to ⁇ x ⁇ E 5 ' 4 where ⁇ x is the deterioration in resolution and
  • E is the energy of the ions at the crossover.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)

Abstract

A particle beam, in particular an ionic optic reproduction system, preferably for lithographic purposes, has a particle source, in particular an ion source for reproducing on a wafer a structure designed in a masking foil as one or several transparent spots, in particular openings, through at least two electrostatic lenses arranged upstream of the wafer. One of the lenses is a so-called grating lens constituted by one or two tubular electrodes (R1, R2) and by a perforated plate arranged in the path of the beam perpendicularly to the optical axis D. The plate is formed by a masking foil M which forms the central or first electrode of the grating lens, in the direction of propagation of the beam.

Description

Teilchen-, insbesondere ionenoptisches Abbildungssystem Particle, in particular ion-optical imaging system

Unter den verschiedenen Schritten, die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen ausgeführt werden müssen, ist der Lithographieschritt besonders wichtig. Vereinfacht ausgedrückt, beginnt jeder Lithographieschritt mit dem Aufbringen einer dünnen Schicht aus lichtempfindlichem (bzw. teilchenstrahlempfindlichem) Material, dem sogenannten Photoresist oder kurz "Resist" auf einen Wafer, insbesondere aus Silizium. Ein Lithographiegerät projiziert dann die auf einer Maske vorhandene Struktur in Gestalt einer oder mehrerer transparenter Stellen auf den mit dem Resist versehenen Wafer. Zwischen Maske und Wafer befinden sich gegebenenfalls optische Elemente. Die Ausdehnung der projizierten Struktur der Maske auf dem Wafer ist meist sehr viel kleiner als der Wafer. Anschließend an die Projektion wird der Wafer verschoben und dieselbe Struktur der Maske auf eine andere Stelle des Wafers projiziert. Dieser Vorgang des Projizierens und Verschiebens wird solange wiederholt, bis die gesamte Waferfläche genutzt ist. Durch nachfolgendes Entwickeln des Resists wird auf dem Wafer das gewünschte Muster beispielsweise in Form von resistfreien Stellen erhalten. Der Wafer kann dann in weiteren Schritten irgendeinem der bekannten Bearbeitungsvorgänge wie Ätzen, Ionenimplantation oder Aufbringen und Diffusion von Dotierungsmaterial unterzogen werden. Nach diesen weiteren Schritten wird der Wafer kontrolliert, wieder mit Resist überzogen und die gesamte vorerwähnte Schrittfolge etwa 10 - 20 mal wiederholt, bis schließlich eine schachbrettartige Anordnung von identischen Mikroschaltkreisen auf dem Wafer erzeugt ist.Among the various steps that must be performed to manufacture semiconductor devices, the lithography step is particularly important. Put simply, each lithography step begins with the application of a thin layer of light-sensitive (or particle beam-sensitive) material, the so-called photoresist or "resist" for short, to a wafer, in particular made of silicon. A lithography device then projects the structure present on a mask in the form of one or more transparent locations onto the wafer provided with the resist. There may be optical elements between the mask and the wafer. The extent of the projected structure of the mask on the wafer is usually much smaller than the wafer. Following the projection, the wafer is shifted and the same structure of the mask is projected onto another location on the wafer. This projecting and shifting process is repeated until the entire wafer surface is used. By subsequently developing the resist, the desired pattern is obtained on the wafer, for example in the form of resist-free areas. In further steps, the wafer can then be subjected to any of the known processing operations such as etching, ion implantation or application and diffusion of doping material. After these further steps, the wafer is checked, again covered with resist, and the entire sequence of steps mentioned above is repeated approximately 10-20 times until a checkerboard-like arrangement of identical microcircuits is finally produced on the wafer.

Die meisten heute verwendeten Projektionslithographieverfahren verwenden Licht zur Bestrahlung des Resists, aber das Bedürfnis nach kleineren Strukturen und höherer Dichte der Komponenten der Mikroschaltkreise hat dazu geführt, intensiv nach anderen Bestrahlungsmethoden zu suchen, die in ihrer Auflösung nicht wie bei Anwendung von Licht durch dessen relativ große Wellenlänge beschränkt sind. Große Anstrengungen wurden unternommen, um Röntgenstrahlen in Lithographiegeräten zu verwenden, während andere Verfahren wie z.B. die Teilchen- insbesondere Ionenstrahllithographie, zwar einige, aber doch wesentlich weniger Beachtung erfahren haben.Most projection lithography methods used today use light to irradiate the resist, but the need for smaller structures and higher density of the components of the microcircuits has led to intensive searches for other irradiation methods which, in terms of their resolution, do not have a relatively large resolution as when using light Wavelength are limited. Great efforts have been made to use X-rays in lithography equipment, while other methods such as e.g. particle, especially ion beam lithography, some, but received much less attention.

Für teilchen-, insbes. ionenoptische Abbildungssysteme, bevorzugt für Lithographiezwecke, mit einer Teilchen-, insbes. Ionenquelle zur Abbildung einer auf einer Maske befindlichen Struktur in Gestalt einer oder mehrerer Öffnungen über mindestens zwei zwischen der Maske und einem Wafer befindliche Sammellinsen auf den Wafer wurde bereits durch die europäische Patentanmeldung 93 890 058.6 vorgeschlagen, mindestens eine der Sammellinsen als sogenannte Dreielektroden-Gitterlinse auszubilden, welche aus zwei Rohrelektroden besteht, zwischen denen sich eine dritte Elektrode befindet, welche als Platte mit einer Vielzahl von Öffnungen, bevorzugt als Gitter, ausgebildet ist, wobei die Platte, insbesondere das Gitter, senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist, so daß durch die Platte bzw. das Gitter die Linse in zwei Bereiche geteilt ist, wobei bevorzugt an die drei Elektroden unterschiedliche Spannungen angelegt werden. Einer der Linsenbereiche der Dreielektroden-Gitterlinse mit Gitter als mittlerer Elektrode kann positive Brechkraft aufweisen, der zweite Linsenbereich jedoch negative Brechkraft, wobei der absolute Wert der Brechkraft des negative Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches (zerstreuender Bereich) geringer ist als die Brechkraft des positive Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches (sammelnder Bereich). Bei einem solchen Abbildungssystem können sich trotz der verschiedenen Absolutbeträge der Brechkräfte die Bildfehlerkoeffizienten größtenteils kompensieren, wenn der zerstreuende Bereich entsprechend größere Bildfehler 3. Ordnung besitzt als der sammelnde Bereich.For particle, in particular ion optical imaging systems, preferably for lithography purposes, with a particle, in particular ion source for imaging a structure located on a mask in the form of one or more openings over at least Two collecting lenses between the mask and a wafer on the wafer have already been proposed by European patent application 93 890 058.6 to design at least one of the collecting lenses as a so-called three-electrode grating lens, which consists of two tubular electrodes, between which there is a third electrode, which is called Plate with a plurality of openings, preferably designed as a grating, the plate, in particular the grating, is arranged perpendicular to the optical axis, so that the lens is divided into two areas by the plate or grating, preferably to the three electrodes of different voltages are applied. One of the lens areas of the three-electrode grating lens with a grating as the central electrode can have positive refractive power, but the second lens area can have negative refractive power, the absolute value of the refractive power of the lens area having negative refractive power (dispersing area) being less than the refractive power of the positive refractive lens area ( collecting area). With such an imaging system, the image error coefficients can largely compensate for one another, despite the different absolute amounts of the refractive powers, if the diverging area has correspondingly larger 3rd order image errors than the collecting area.

Die Anwendung einer Dreielektroden-Gitterlinse ermöglicht es somit, jeweils einen Bildfehlerkoeffizienten in den Abbildungsgleichungen dieser Linse zum Verschwinden zu bringen, wobei auch die übrigen Bildfehlerkoeffizienten kleine Werte annehmen im Vergleich zu den zum Beispiel aus den durch die Europäischen Patent-Anmeldungen EP-89109553, EP-92890165, EP-92890181 bekannten elektrostatischen Linsen. Erreicht wird dies durch die Einführung der Platten- bzw. Gitter-Elektrode, da es nur mit einer solchen Elektrode möglich ist, eine elektrostatische Zerstreuungslinse herzustellen. Darüberhinaus tritt in ionenoptischen Lithographiesystemen mit Dreielektroden-Gitterlinsen auch eine Reduzierung der resultierenden Verzeichnung an der Stelle des Verzeichnungsminimums auf. Die Anwendung von Dreielektrodenlinsen mit Gitter als mittlerer Elektrode erlaubt überdies die Verringerung des Abstandes Maske-Wafer gegenüber bekannten Systemen, wenn man die Verzeichnungswerte auf gleiche Bildfeldgröße bezieht. Schließlich wird auch noch die Schärfentiefe des Abbildungssystems wesentlich erhöht, weil die Dreielektrodenlinsen mit Gitter als mittlerer Elektrode jeweils nur sehr kleine Bildfehler besitzen und daher die Kompensation der Bildfehler bei den zwischen Wafer und Maske befindlichen Linsen weniger kritisch ist.The use of a three-electrode grating lens thus makes it possible to make one image error coefficient in the imaging equations of this lens disappear, the other image error coefficients also taking small values compared to those, for example, from those described in European patent applications EP-89109553, EP -92890165, EP-92890181 known electrostatic lenses. This is achieved by introducing the plate or grid electrode, since it is only possible with such an electrode to produce an electrostatic diverging lens. In addition, in ion-optical lithography systems with three-electrode grating lenses, there is also a reduction in the resulting distortion at the point of the minimum distortion. The use of three-electrode lenses with a grid as the central electrode also allows the mask-wafer distance to be reduced compared to known systems if the distortion values are related to the same image field size. Finally, the depth of field of the imaging system is also significantly increased because the three-electrode lenses with grids as the middle electrode in each case only have very small image defects and therefore the compensation of the image defects in the lenses located between the wafer and the mask is less critical.

Im wesentlichen kann dieselbe Wirkung erzielt werden, wenn die Reihenfolge von Zerstreuungs- und Sammellinsen umgekehrt wird, wenn also beispielsweise die als Gitter ausgebildete Elektrode die erste Elektrode einer zerstreuenden Zweielektroden-Gitterlinse bildet, auf welche eine beispielsweise als Feldlinse ausgebildete Sammellinse folgt. Hiebei versteht man unter Feldlinse oder Immersionslinse eine Anordnung aus zwei koaxiaien, rotationssymmetrischen Elektroden (z.B. rohrförmig ausgebildet), die sich auf verschiedenen Potentialen befinden.Essentially the same effect can be achieved if the order of diverging and converging lenses is reversed, for example if the electrode designed as a grating forms the first electrode of a diverging two-electrode grating lens, which is followed by a converging lens designed as a field lens, for example. Here, field lens or immersion lens is understood to be an arrangement of two coaxial, rotationally symmetrical electrodes (e.g. tubular) that are at different potentials.

Störungen durch die Öffnungen in der Platte bzw. durch die Gitterδffnungen können vermindert werden, wenn einserseits die Gitteröffnungen und ihre Abstände sehr klein gehalten werden (in der Größenordnung von Mikrometern) und zu beiden Seiten des Gitters, im Bereich der Ausleuchtung durch den Ionenstrahl möglichst gleiche Feldstärken vorhanden sind.Disturbances through the openings in the plate or through the grid openings can be reduced if the grid openings and their spacings are kept very small on the one hand (in the order of magnitude of micrometers) and on both sides of the grid, in the area of the illumination by the ion beam as similar as possible Field strengths are available.

Das Problem bei der Verwendung von Gittern liegt darin, daß dieses, wegen der feinen Öffnungen und Stege, sehr dünn, dabei aber doch relativ grossflächig sein muss, und daher sehr empfindlich gegenüber Beschädigungen ist, sodass es sowohl im Zuge der Herstellung als auch dann im Laufe des Einsatzes in der Linse ständiger Kontrollen bedarf. Zu diesem Zwecke muss das Gitter aus der Maschine herausgenommen, gegebenenfalls gereinigt und wieder an seinen Platz gebracht werden, wobei es aufgrund seiner Fragilität jedesmal der Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung ausgesetzt ist.The problem with the use of grids is that, because of the fine openings and webs, it has to be very thin, but still has to be relatively large, and is therefore very sensitive to damage, so that it is both in the course of production and then in Continuous checks are required during use in the lens. For this purpose, the grille must be removed from the machine, cleaned if necessary and returned to its place, and because of its fragility it is always exposed to the risk of damage or destruction.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesem Problem abzuhelfen. Hiezu schlägt die Erfindung für die Ausgestaltung eines teilchen-, insbesondere ionenoptischen Abbildungssystems, bevorzugt für Lithographiezwecke, mit einer Teilchen-, insbes. Ionenquelle zur Abbildung einer auf einer Maskenfolie befindlichen Struktur in Gestalt einer oder mehrerer transparenter Stellen, insbesondere Öffnungen über mindestens zwei in Strahlrichtung vor einem Wafer angeordnete elektrostatische Linsen auf den Wafer, wobei mindestens eine der Linsen eine sogenannte Gitterlinse ist, welche von einer oder zwei Rohrelektrode und einer im Strahlengang angeordneten Platte mit Öffnungen gebildet ist, wobei die Platte normal zur optischen Achse angeordnet ist, vor, daß erfindungsgemäß die Platte von der Maskenfolie gebildet ist, welche die mittlere oder die in Strahlrichtung erste Elektrode der Gitterlinse bildet. Hierbei bilden jeweils die Maske zusammen mit der in Ionenstrahlrichtung nachfolgenden Elektrode eine Zerstreuungslinse, deren Bildfehler 3. Ordnung durch die der nachfolgende(n) Sammellinse(n) bis auf minimale Restwerte kompensiert werden.The object of the invention is therefore to remedy this problem. For this purpose, the invention proposes the design of a particle, in particular ion-optical imaging system, preferably for lithography purposes, with a particle, in particular ion source for imaging a structure located on a mask film in the form of one or more transparent locations, in particular openings via at least two in the beam direction electrostatic lenses arranged in front of a wafer on the wafer, at least one of the lenses being a so-called grating lens, which is made up of one or two Tube electrode and a plate arranged in the beam path with openings is formed, the plate being arranged normal to the optical axis, before that according to the invention the plate is formed by the masking film which forms the middle or the first electrode of the grating lens in the beam direction. In this case, the mask together with the electrode following in the ion beam direction form a diverging lens, the third-order image errors of which are compensated for by the subsequent collective lens (s) except for minimal residual values.

Durch den Ersatz des Gitters der bekannten Ausführung durch die Maske ist nur mehr ein Element, das bei der Fertigung und der Anwendung höchste Präzision erfordert, vorhanden, nämlich die Maske selbst, die auch bei allen anderen Ausführungsformen mit ebenso großer Präzision herzustellen ist, jedoch entfällt das weitere, ebenfalls mit hoher Präzision herzustellende Element und damit auch Fehler, die Unvollkommenheiten dieses zweiten Elementes bedingen.By replacing the grating of the known design with the mask, there is only one element that requires the highest precision in manufacture and application, namely the mask itself, which can also be produced with the same precision in all other embodiments, but is omitted the further element, which is also to be manufactured with high precision and thus also errors which cause imperfections of this second element.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besitzt das ionenoptische Abbildungssystem, in dem die Maske die Mittelelektrode einer Dreielektroden-Gitterlinse darstellt, als weiteres Abbildungselement eine Sammellinse in Form einer Feldlinse oder einer asymmetrischen Einzellinse. Hiebei ist unter asymmetrischer Einzellinse eine Dreielektroden-Linse zu verstehen, bei der sich alle Elektroden auf verschiedenen Potentialen befinden. Asymmetrische Einzellinsen werden verwendet, weil sie erheblich kleinere Bildfehler besitzen als Immersionslinsen mit äquivalenten Abbildungseigenschaften.In a further embodiment of the invention, the ion-optical imaging system, in which the mask represents the center electrode of a three-electrode grating lens, has a converging lens in the form of a field lens or an asymmetrical single lens as a further imaging element. Here asymmetric single lens is to be understood as a three-electrode lens in which all electrodes are at different potentials. Asymmetric single lenses are used because they have considerably smaller image defects than immersion lenses with equivalent imaging properties.

In der Dreielektroden-Gitterlinse, deren Mittelelektrode nunmehr die Maske ist, stellt der erste Bereich praktisch die Beleuchtungslinse für die Maske dar und der zweite Bereich die Zerstreuungslinse (negative Brechkraft), deren Fehler durch die im Strahlengang nachfolgenden Linsen weitestgehend kompensiert werden.In the three-electrode grating lens, whose central electrode is now the mask, the first area practically represents the illuminating lens for the mask and the second area the diverging lens (negative refractive power), the errors of which are largely compensated for by the lenses following in the beam path.

In einer anderen Ausführungsform, bei der die Maske die erste Elektrode einer Zweielektroden-Gitterlinse bildet, folgen im Strahlengang auf diese Linse eine Feldlinse und danach eine asymmetrische Einzellinse. In diesem Fall werden die Abbildungsfehler der letzten Linse vor dem Wafer durch die Fehler der die Maske enthaltenden Zerstreuungslinse und der darauffolgenden Linse kompensiert.In another embodiment, in which the mask forms the first electrode of a two-electrode grating lens, a field lens follows in the beam path and then an asymmetrical single lens. In this case, the aberrations the last lens before the wafer is compensated for by the errors of the diverging lens containing the mask and the subsequent lens.

Dadurch, daß nun die Maske an den Ort, wo sich bei der bekannten Ausführung (europäische Patentanmeldung 93 890 058.6) das Gitter befand, gelegt wird, wird nunmehr die Gitterebene zur Gegenstandsebene. Dabei bilden die Öffnungen in der Maske Aperturlinsen, ebenso wie die Öffnungen des Gitters in der bekannten Ausführung. Da jedoch die Maske nun der abzubildende Gegenstand ist, welcher in der Bildebene abgebildet wird, ist gemäß den optischen Gesetzen eine geringe Änderung des Winkels der aus den Maskenöffnungen austretenden Teilchen in der Wirkung auf die Abbildung weitgehend zu vernachlässigen, da ja sämtliche von einem Gegenstandspunkt ausgehenden Teilchen in einem Bildpunkt gesammelt werden.Because the mask is now placed at the location where the grating was in the known embodiment (European patent application 93 890 058.6), the grating plane now becomes the object plane. The openings in the mask form aperture lenses, as do the openings of the grating in the known design. However, since the mask is now the object to be imaged, which is imaged in the image plane, according to the optical laws, a slight change in the angle of the particles emerging from the mask openings is largely negligible in the effect on the imaging, since all emanate from an object point Particles are collected in one pixel.

In weiterer Ausgestaltung derjenigen erfindungsgemäßen Ausführungsform, in welcher die Maske die erste Elektrode einer Zweielektroden-Gitterlinse bildet, liegt der Kreuzungspunkt der Strahlen ("Cross-over") im feldfreien Raum in Strahlrichtung vor der letzten Linse vor dem Wafer, somit zwischen der Feldlinse und der asymmetrischen Einzellinse. Hiebei kann, in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, vorgesehen sein, dass die Feldlinse die Ionen auf eine Energie beschleunigt, die hoch genug ist, dass die sogenannten stochastischen Raumladungseffekte (s.u.) minimiert werden. In der asymmetrischen Einzellinse kann die Energie der Ionen gegebenenfalls auf die am Wafer erwünschte Energie vermindert werden.In a further embodiment of the embodiment according to the invention in which the mask forms the first electrode of a two-electrode grating lens, the point of intersection of the beams ("cross-over") lies in the field-free space in the beam direction in front of the last lens in front of the wafer, and thus between the field lens and the asymmetrical single lens. In a further embodiment of the invention, it can be provided that the field lens accelerates the ions to an energy that is high enough that the so-called stochastic space charge effects (see below) are minimized. In the asymmetrical single lens, the energy of the ions can optionally be reduced to the energy desired on the wafer.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. la, schematisiert und vereinfacht in einer Seitenansicht, den Aufbau und Strahlengang eines erfϊndungsgemässen Ionenlithograhpiesystems der ersten Ausführungsform mit Kreuzungspunkt, mit Verzeichnungskorrektur, Fig. lb die analoge Ansicht der ersten Ausführungsform ohne Kreuzungspunkt, Fig. 2 ein lonenlithographiesystem der zweiten Ausführungsform mit Verzeichnungskorrektur, Fig. 3a und b ebenfalls Ionenlithographiesysteme der in Fig. la und lb sowie Fig.2 dargestellten Art mit Korrektur des chromatischen Fehlers, Fig. 4 in axialem Längsschnitt eine drei Elektroden aufweisende Linse, wobei die mittlere Elektrode von der Maske gebildet ist, Fig. 5 ebenfalls in axialem Längsschnitt eine Kombination aus einer Sammellinse gemäß Fig. 4 mit einer weiteren, als Feldlinse ausgebildeten, vor dem Wafer angeordneten Linse, Fig. 6, teilweise in axialem Längsschnitt und vereinfacht, eine Ionenprojektionseinrichtung mit einer Zweielektroden-Gitterlinse, in der die Maske die Gitter-Elektrode bildet, Fig. 7 den Verlauf des chromatischen Auflösungsfehlers und der Verzeichnung in Abhängigkeit von der Waferposition für eine Anordnung gemäß Fig. 6, Fig. 8 eine Ansicht analog derjenigen von Fig. lb, jedoch mit Korrekturlinse vor dem Wafer und Fig. 9 einen ebenen Schnitt durch ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach Fig.6.The invention is explained below, for example with reference to the drawing. 1 a, schematic and simplified in a side view, shows the structure and beam path of an ion lithography system according to the invention of the first embodiment with a crossing point, with distortion correction, FIG. 1 b shows the analog view of the first embodiment without a crossing point, FIG. 2 shows an ion lithography system of the second embodiment Distortion correction, FIGS. 3a and b also ion lithography systems of the type shown in FIGS. 1a and 1b and FIG. 2 with correction of the chromatic error, FIG. 4 in axial longitudinal section a lens having three electrodes, the middle electrode being formed by the mask, 5 likewise in axial longitudinal section a combination of a converging lens according to FIG. 4 with a further lens designed as a field lens and arranged in front of the wafer, FIG. 6, partly in axial longitudinal section and simplified, an ion projection device with a two-electrode grating lens, in 7, the course of the chromatic resolution error and the distortion as a function of the wafer position for an arrangement according to FIG. 6, FIG. 8 a view analogous to that of FIG. 1b, but with a correction lens in front of the 9 and FIG. 9 shows a planar section through a specific exemplary embodiment of an arrangement according to FIG. 6.

Gemäss Fig. l(a und b) besitzt das ionenoptische Abbildungssystem eine Ionenquelle Q zur Abbildung einer auf einer Maske M befindlichen Struktur auf einen Wafer W. Die Struktur liegt dabei als mindestens eine Öffnung der Maske M vor. In der ersten Ausfuehrungsform sind zwei der Elektroden, wie Fig. 4 und Fig.5 näher veranschaulichen, als Rohrelektroden Rl und R2 ausgebildet und die zwischen diesen Rohrelektroden Rl und R2 angeordnete, dritte Elektrode wird von der Maske M gebildet. Die Maske M ist senkrecht zur optischen Achse D des Abbildungssystems angeordnet und teilt die Linse LI in zwei Bereiche P und N. An den drei Elektroden, nämlich den beiden Rohrelektroden R l und R2 und der von der Maske M gebildeten Elektrode liegen unterschiedliche Potentiale Ul , U2 und U3. mit 1 ist in der Zeichnung der Soll-Strahl und mit 2 der Ist-Strahl bezeichnet.1 (a and b), the ion-optical imaging system has an ion source Q for imaging a structure located on a mask M onto a wafer W. The structure is present as at least one opening of the mask M. In the first embodiment, two of the electrodes, as illustrated in FIGS. 4 and 5, are designed as tube electrodes R1 and R2 and the third electrode arranged between these tube electrodes R1 and R2 is formed by the mask M. The mask M is arranged perpendicular to the optical axis D of the imaging system and divides the lens LI into two areas P and N. The three electrodes, namely the two tubular electrodes R 1 and R2 and the electrode formed by the mask M, have different potentials Ul, U2 and U3. 1 in the drawing denotes the target beam and 2 the actual beam.

In dem beschriebenen Beispiel besitzt der Linsenbereich P positive und der Linsenbereich N negative Brechkraft, wobei jedoch der Absolutbetrag der Brechkraft des negative Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches N geringer ist als die Brechkraft des positive Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches P, so daß die Gesamtbrechkraft der Dreielektrodenlinse G3 positiv ist.In the example described, the lens area P has positive and the lens area N has negative refractive power, but the absolute amount of the refractive power of the lens area N having negative refractive power is less than the refractive power of the lens area P having positive refractive power, so that the total refractive power of the three-electrode lens G3 is positive.

Aus Fig. 4 und Fig.5 ist weiters ersichtlich, daß die Rohrelektrode R2 des Linsenbereiches N von negativer Brechkraft, geringeren (etwa halb so großen) Durchmesser wie der der Maske zugekehrte Teil der Rohrelektrode Rl des Linsenbereiches P mit positiver Brechkraft aufweist. Das Spannungsverhältnis (U3 - U0)/(U2 - UO) zwischen den Elektroden des negative Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches N ist ebenfalls geringer (etwa ein Drittel) wie das Spannungsverhältnis (U3 - U0)/(U 1 - UO) zwischen den Elektroden des positive Brechkraft aufweisenden Linsenbereiches P, wobei UO jenes Potential ist, bei dem die kinetische Energie der verwendeten geladenen Teilchen zu Null wird.From Fig. 4 and Fig. 5 it can also be seen that the tube electrode R2 of the lens area N of negative refractive power, smaller (about half as large) diameter as the part of the tube electrode Rl of the lens area P facing the mask with positive refractive power. The tension (U3 - U0) / (U2 - UO) having between the electrodes of the negative refractive power lens portion N is also clotting he g (about a third) as the voltage ratio (U3 - U0) / (U 1 - UO) between the electrodes of the lens region P having positive refractive power, where UO is the potential at which the kinetic energy of the charged particles used becomes zero.

Zu beiden Seiten der Maske M wird möglichst gleiche Feldstärke für jenen Bereich angestrebt, der vom Ionenstrahlbündel ausgeleuchtet ist.On both sides of the mask M, the same field strength is sought for the area that is illuminated by the ion beam.

In der Dreielektroden-Gitterlinse, die als Gitter nunmehr die Maske besitzt, stellt der erste Bereich praktisch die Beleuchtungslinse für die Maske dar und der zweite Bereich die Zerstreuungslinse (negative Brechkraft), deren Fehler durch die nachfolgende Sammellinse L2 weitestgehend kompensiert werden. Dadurch, daß nunmehr die Maske an den Ort, wo sich bei der bekannten Ausführung (europäische Patentanmeldung 93 890 058.6) das Gitter befand, gelegt wird, wird nunmehr die Gitterebene zur Gegenstandsebene. Es bilden dabei die Öffnungen in der Maske praktisch die Öffnungen des Gitters, wobei die Maskenöffnungen dieselbe Wirkung haben wie die Aperturlinsen der Gitteröffnungen selbst. Da jedoch, wie bereits erwähnt, die Maske M nun der in der optischen Säule abzubildende Gegenstand ist, welcher in der Bildebene abgebildet wird, ist gemäß den optischen Gesetzen eine geringe Änderung des Winkels der aus den Maskenöffnungen austretenden Teilchen in der Wirkung auf die Abbildung zu vernachlässigen, da ja sämtliche von einem Gegenstandspunkt ausgehenden Teilchen in einem Bildpunkt gesammelt werden.In the three-electrode grating lens, which now has the mask as a grating, the first area practically represents the illuminating lens for the mask and the second area the diverging lens (negative refractive power), the errors of which are largely compensated for by the subsequent converging lens L2. Because the mask is now placed at the location where the grating was in the known embodiment (European patent application 93 890 058.6), the grating plane now becomes the object plane. The openings in the mask practically form the openings of the grating, the mask openings having the same effect as the aperture lenses of the grating openings themselves. However, since, as already mentioned, the mask M is now the object to be imaged in the optical column, which is in the According to the optical laws, a slight change in the angle of the particles emerging from the mask openings in the effect on the image is negligible, since all particles originating from an object point are collected in one image point.

Diese Erläuterungen gelten sowohl für die Ausbildung der zweiten Linse L2 als asymmetrische Einzellinse als auch als Feldlinse.These explanations apply to the formation of the second lens L2 as an asymmetrical single lens as well as a field lens.

Die Maske M, welche die abzubildende Struktur in Form von Öffnungen in einer Folie (z.B. aus Silizium) aufweist, wird von einer Ionenquelle Q mit sehr geringer virtueller Quellengröße (annähernd 10 μm) und dieser nachfolgender Beleuchtungseinrichtung, welche zwei Multipole und einen zwischen ihnen angeordneten Massenseparator (z.B. ExB-Filter) und gegebenenfalls ein Diagnosesystem aufweisen kann, beleuchtet und befindet sich in einer ersten Ausführungsform zwischen den endständigen Elektroden der aus drei Elektroden Rl , R2 und M bestehenden Linse G3 mit insgesamt positiver Brechkraft. In einer speziellen Ausführungsform (Fig. la) erzeugt die Linse G3 einen Kreuzungsbereich (Cross-over) C, d. i ein reelles Bild der Ionenquelle Q hinter ihrem bildseitigen Brennpunkt. Der gegenstandsseitige Brennpunkt der vor dem Wafer W angeordneten zweiten Sammellinse L2 befindet sich ungefähr am Ort des Cross-overs C. Damit verlassen alle Strahlen die Sammellinse L2 nahezu achsparallel und man erhält ein annähernd telezentrisches Abbildungssystem. Dieses hat den Vorteil, daß sich der Abbildungsmaßstab bei kleinen Verschiebungen des Wafers W in Richtung der ionenoptischen Achse nicht ändert.The mask M, which has the structure to be imaged in the form of openings in a film (for example made of silicon), is provided by an ion source Q with a very small virtual source size (approximately 10 μm) and this subsequent lighting device, which has two multipoles and one arranged between them Mass separator (eg ExB filter) and optionally a diagnostic system can be illuminated and located in a first embodiment between the terminal electrodes of the lens G3 consisting of three electrodes R1, R2 and M with an overall positive refractive power. In a special embodiment (Fig. La), the lens G3 creates a crossover area (Cross-over) C, i. i a real image of the ion source Q behind its focal point on the image side. The object-side focal point of the second converging lens L2 arranged in front of the wafer W is approximately at the location of the crossover C. Thus, all rays leave the converging lens L2 almost axially parallel and an approximately telecentric imaging system is obtained. This has the advantage that the imaging scale does not change with small displacements of the wafer W in the direction of the ion-optical axis.

In einer weiteren Ausführungsform (Fig. lb) kann bei dieser Anordnung ein Bild der Maske auch ohne Kreuzungspunkt erzeugt werden. Bei einer verkleinernden Abbildung geht damit die Telezentrizität verloren, wobei sehr kleine Winkel (ca 6 mrad) am Wafer trotzdem noch möglich sind. Um wieder ein telezentrisches System zu erhalten, kann erfindungsgemäß eine Korrekturlinse WL direkt vor dem Wafer angeordnet sein (Fig. 8), durch welche die Strahlen am Wafer wieder nahezu achsparallel auftreffen. Erfindungsgemäß kann diese Korrekturlinse dadurch gebildet werden, daß eine einzelne im wesentlichen rohrförmige Elektrode direkt vor dem Wafer positioniert ist und gegenüber diesem geringfügig unterschiedliches Potential besitzt. Diese Elektrode bildet zusammen mit dem Wafer die sogenannte Waferlinse WL, welche wieder eine Platte, nämlich den Wafer selbst, als Elektrode besitzt und daher als Zerstreuungslinse betrieben werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn das Potential an der vor dem Wafer liegenden Elektrode so gewählt wird, daß die Ionen zum Wafer hin abgebremst werden.In a further embodiment (FIG. 1b), an image of the mask can also be produced without a crossing point in this arrangement. If the image is reduced, the telecentricity is lost, although very small angles (approx. 6 mrad) on the wafer are still possible. In order to obtain a telecentric system again, a correction lens WL can be arranged according to the invention directly in front of the wafer (FIG. 8), through which the beams again strike the wafer almost axially parallel. According to the invention, this correction lens can be formed in that a single, essentially tubular electrode is positioned directly in front of the wafer and has slightly different potential than this. Together with the wafer, this electrode forms the so-called wafer lens WL, which again has a plate, namely the wafer itself, as an electrode and can therefore be operated as a diverging lens. This is the case if the potential at the electrode lying in front of the wafer is selected such that the ions are decelerated towards the wafer.

In einer konkreten Ausführung der Dreielektrodenlinse mit Gitter ist der Abstand zwischen den einander zugekehrten Enden der Rohrelektroden Rl , R2 135 mm. Die als Maske M ausgebildete Elektrode ist in einem Abstand von 90 mm von der Austrittsmündung der Rohrelektrode R l angeordnet, wobei der Durchmesser der Austrittsmündung 600 mm beträgt, wogegen der Durchmesser der Eintrittsmündung der Rohrelektrode R2 300 mm beträgt. Die Austrittsmündung der Rohrelektrode R2 ist von der als Maske M ausgebildeten Elektrode 675 mm entfernt und die Eintrittsmündung der Rohrelektrode Rl liegt 1350 mm vor der die Mittenelektrode bildenden Maske. In einem Abstand von 585 mm von der der Maske M zugekehrten Austrittsmündung vermindert sich der Innendurchmesser der Rohrelektrode R l von 600 auf 300 mm.In a specific embodiment of the three-electrode lens with a grid, the distance between the mutually facing ends of the tubular electrodes R1, R2 is 135 mm. The electrode designed as a mask M is arranged at a distance of 90 mm from the outlet opening of the tube electrode R 1, the diameter of the outlet opening being 600 mm, whereas the diameter of the inlet opening of the tube electrode R2 is 300 mm. The outlet mouth of the tube electrode R2 is 675 mm away from the electrode designed as a mask M and the inlet mouth of the tube electrode R1 is 1350 mm in front of the mask forming the center electrode. In one The distance of 585 mm from the outlet mouth facing the mask M reduces the inside diameter of the tubular electrode R 1 from 600 to 300 mm.

Bei der in Fig.6 dargestellten Ausführungsvariante bildet die Maske M die erste Elektrode der zerstreuenden Gittεrünse G2. Auf diese folgt die Sammellinse LI , hierauf die zweite Sammellinse L2, die vor der Waferebene im Strahlengang liegt und als asymmetrische EINZEL-Linse ausgebildet ist. Da das Potential der letzten Elektrode einer Linse immer dasselbe ist wie das der ersten Elektrode der nachfolgenden Linse, können diese beiden Elektroden physisch jeweils als eine einzige Elektrode ausgebildet werden, wie auch in Fig. 6 zu sehen ist. Man kann daher auch die gesamte ionenoptische Säule zwischen Maske und Wafer als eine einzige "Multi-Elektroden-Linse", diesfalls als Fünf-Elektroden-Linse, ansehen, welche verschiedene brechende Bereiche, nämlich G2, LI und L2 aufweist. Gegebenenfalls, zum Beispiel um den Abstand zwischen Quelle und Wafer zu verkürzen, kann auch noch eine Beleuchtungslinse vor der Maske vorgesehen sein (eine solche ist in Fig. 6 nicht eingezeichnet).In the embodiment variant shown in FIG. 6, the mask M forms the first electrode of the diverging gland G2. This is followed by the converging lens LI, followed by the second converging lens L2, which lies in front of the wafer plane in the beam path and is designed as an asymmetrical SINGLE lens. Since the potential of the last electrode of a lens is always the same as that of the first electrode of the subsequent lens, these two electrodes can each be physically formed as a single electrode, as can also be seen in FIG. 6. The entire ion-optical column between the mask and the wafer can therefore also be regarded as a single “multi-electrode lens”, in this case as a five-electrode lens, which has different refractive regions, namely G2, LI and L2. If necessary, for example in order to shorten the distance between the source and the wafer, an illumination lens can also be provided in front of the mask (one that is not shown in FIG. 6).

Unterschiedlich zu der zuvor beschriebenen Dreielektrodenlinse, in der die Maske M die Mittelelektrode bildet, ist bei der Anordnung gemäß Fig. 6 die Feldstärke vor und nach der Maske verschieden groß, sodaß es zu Minilinseneffekten (flies' eyes lens effects) kommt, verursacht durch die Öffnungen in der Maske M. Da jedoch die elektrische Feldstärke an der Ebene der Maske M, welche der zweiten Elektrode zugekehrt ist, sehr gering ist, und weil die Maske der abzubildende Gegenstand ist, ist die Wirkung dieser Minilinsen vernachlässigbar klein. Die geringe Feldstärke ist erwünscht, da wegen der Arbeit, die eine sich in einem elektrischen Feld bewegende Folie leisten muß, allfällige Vibrationen der Maske M vermieden werden. Dies ermöglicht ein rasches Wechseln und Einrichten der Maske M. Die Anordnung gemäß Fig. 6 erlaubt es, das Bild der Maskenöffnungen mit einer Telezentrizität besser als 2 mrad auf die Ebene des Wafers W zu werfen. Diese hohe Telezentrizität ergibt in der Ebene des Wafers W eine Schärfentiefe von etwa 10 μm. Es werden damit in dieser Ausführungsform nicht nur der Abbildungsmaßstab und die Auflösung auch bei Änderungen der Waferlage in der optischen Achse aufrechterhalten, sondern es kann auch der besonders geringe Verzeichnungsfehler aufrechterhalten werden. Bei dem Konzept gemäß Fig. 6 trifft in einem 60 x 60 mm2 großen Maskenstrukturfeld der Ionenstrahl unter Winkeln auf, die am Rand des Maskenfeldes geringer als 1,5° sind. Die Maskenöffnungen können in einer 3 μm starken Silizium-Folie mit einer Schräge von z.B. 3° realisiert werden. Damit können in einer 3 μm dicken Maskenfolie Linienraster mit einer Öffnungsbreite von z.B. 0,45μm realisiert werden, ohne daß Schattenfehler durch dieIn contrast to the three-electrode lens described above, in which the mask M forms the central electrode, the field strength before and after the mask is different in the arrangement according to FIG. 6, so that there are flies' eyes lens effects caused by the Openings in the mask M. However, since the electric field strength at the level of the mask M, which faces the second electrode, is very small, and because the mask is the object to be imaged, the effect of these mini lenses is negligible. The low field strength is desirable because, due to the work that a film moving in an electric field has to do, any vibrations of the mask M are avoided. This allows the mask M to be changed and set up quickly. The arrangement according to FIG. 6 allows the image of the mask openings to be thrown onto the wafer W level with a telecentricity better than 2 mrad. This high telecentricity results in a depth of field of about 10 μm in the plane of the wafer W. In this embodiment, not only is the imaging scale and the resolution maintained even when the wafer position changes in the optical axis, but the particularly low distortion error can also be maintained. In the concept according to FIG. 6, the ion beam strikes a 60 × 60 mm 2 mask structure field at angles that are less than 1.5 ° at the edge of the mask field. The mask openings can be realized in a 3 μm thick silicon foil with a slope of, for example, 3 °. In this way, line screens with an opening width of, for example, 0.45 μm can be realized in a 3 μm thick masking film without shadow errors due to the

Maskenkanten entstehen. Der Abstand zwischen Wafer W und Maske M beträgt beispielsweise 2171,51 mm und der größte Durchmesser 1 180 mm.Mask edges arise. The distance between wafer W and mask M is, for example, 2171.51 mm and the largest diameter is 1180 mm.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen besitzen unabhängig von der Realisierung die folgenden Eigenschaften: a) Bei Anordnungen mit Cross-over erhält das Strahlenbündel im allgemeinen durch die auf die Maske M folgende und/oder diese enthaltende(n) Sammellinse G3N (Fig. l) bzw. G2 und LI (Fig.2) eine kissenförmige Rest-Verzeichnung (Bereich A), die nach dem Cross-over in eine tonnenförmige Rest-Verzeichnung (Bereich B) übergeht.Regardless of the implementation, the devices according to the invention have the following properties: a) In the case of arrangements with crossover, the beam is generally given by the converging lens G3N (FIG. 1) or G2 which follows the mask M and / or contains it and LI (FIG. 2) a pillow-shaped residual distortion (area A) which, after the crossover, changes into a barrel-shaped residual distortion (area B).

Fig. la und 2 veranschaulichen, daß durch die Verzeichnung der vor dem Wafer W angeordneten Sammellinse L2, die Strahlen eine zusätzliche Ablenkung erhalten, die den Bereich B tonnenförmiger Verzeichnung reduziert und einen an den Bereich tonnenförmiger Verzeichnung anschließenden Bereich A' kissenförmiger Verzeichnung generiert. Nach Fig. lb wird bei der Anordnung ohne Cross-over die durch die Sammellinse G3N generierte kissenförmige Verzeichnung durch die Linse L2 reduziert und schließlich in eine tonnenförmige Verzeichnung (Bereich B) übergeführt.FIGS. 1 a and 2 illustrate that the distortion of the converging lens L2 arranged in front of the wafer W gives the rays an additional deflection, which reduces the region B of barrel distortion and generates an area A 'of pillow distortion adjoining the barrel barrel distortion. According to FIG. 1b, in the case of the arrangement without crossover, the pillow-shaped distortion generated by the converging lens G3N is reduced by the lens L2 and finally converted into a barrel-shaped distortion (area B).

Dabei gibt es hinter der vor dem Wafer W angeordneten Sammellinse L2 eine Ebene, in der sich die durch die zwischen Maske und Wafer liegenden Linsen hervorgerufenen Verzeichnungen kompensieren (Ebene minimaler Verzeichnung). Dies gilt allerdings nur für den Verzeichnungsfehler dritter Ordnung, es bleiben die sehr viel kleineren Verzeichnungsfehler fünfter und höherer Ordnung, so daß die Verzeichnung nicht zur Gänze verschwindet, sondern lediglich ein ausgeprägtes Minimum besitzt. Bei Verwendung einer Waferlinse WL (s.u.) kann diese noch zur weiteren Verzeichnungsminimierung beitragen.There is a level behind the collecting lens L2 arranged in front of the wafer W, in which the distortions caused by the lenses lying between the mask and the wafer are compensated for (level of minimal distortion). However, this only applies to the third-order distortion error; the much smaller fifth-order and higher-order distortion errors remain, so that the distortion does not disappear entirely, but only has a pronounced minimum. Using A WL lens (see below) can also help to further minimize distortion.

Die Abhängigkeit der Restverzeichnung von der Abweichung in Strahlrichtung der Waferposition von der Sollage verläuft in der hier vorgeschlagenen Ausführungsform nach Fig. 6 mit praktisch demselben Anstieg wie in der in der Europ. Patentanmeldung 93 890 058.6 vorgeschlagenen Einrichtung, in der zwei Dreielektroden-Gitterlinsen zur Abbildung der Öffnungen einer Maske verwendet werden (Fig. 7), wobei das Verzeichnungsminimum noch geringer ist als in der obgenannten Anmeldung. Zusammen mit der hohen Telezentrizität führt dies zu einer Schärfentiefe von ca lOμm, welche wesentlich besser ist als die in einer üblichen Abbildung mit Lichtoptik erzielbare Schärfentiefe. Beispielsweise ist bei der Photolithographie mit hochenergetischem UV-Licht ("deep UV") bei Herstellung von Strukturen von 0,2μm die Schärfentiefe ebenfalls im Bereich von nur einigen Zehntel μm. Um mit dieser geringen Schärfentiefe integrierte Schaltkreise produzieren zu können, muß bei der Lichtoptik die Oberfläche des Wafers eingeebnet werden und die Lithographie darf nur in der obersten Schicht stattfinden ("top surface imaging"), was mit hohen Kosten verbunden ist.The dependence of the residual distortion on the deviation in the beam direction of the wafer position from the target position runs in the embodiment proposed here according to FIG. 6 with practically the same increase as that in the Europ. Patent application 93 890 058.6 proposed device in which two three-electrode grid lenses are used to image the openings of a mask (Fig. 7), the distortion minimum is even lower than in the above application. Together with the high telecentricity, this leads to a depth of field of approx. 10 μm, which is much better than the depth of field that can be achieved in a conventional image with light optics. For example, in the case of photolithography with high-energy UV light (“deep UV”) when producing structures of 0.2 μm, the depth of field is also in the range of only a few tenths of a μm. In order to be able to produce integrated circuits with this shallow depth of field, the surface of the wafer must be leveled in the light optics and the lithography may only take place in the top layer ("top surface imaging"), which is associated with high costs.

b) In den Anordnungen nach Fig. lb und 2 ergibt sich, wie aus Fig. 3a und 3b schematisch zu erkennen ist, auch für den chromatischen Fehler eine Kompensation durch die Wirkungen der beiden Sammellinsen LI und L2 für eine bestimmte Bildebene E hinter der vor dem Wafer W angeordneten zweiten Sammellinse L2. Ein Strahl (in Fig. 3 in unterbrochenem Linienzug dargestellt) mit etwas kleinerer Energie E0 - Δ E0 als der Sollenergie E0 wird in der die Maske M als eine Elektrode enthaltenden Linse G3 bzw. G2+L1 stärker abgelenkt als ein Strahl mit Sollenergie (in vollen Linien dargestellt) wirdund trifft infolgedessen die vor dem Wafer W angeordnete Linse L2 in größerer Achsenferne als der Sollstrahl und wird daher aufgrund seiner geringeren Energie stärker gegen die optische Achse zurückgelenkt, so daß er in einer bestimmten Entfernung hinter der vor dem Wafer W angeordneten Sammellinse L2 den Sollstrahl trifft. In dieser Ebene E verschwindet der chromatische Fehler erster Ordnung. Es verbleibt auch hier ein Restfehler, der chromatische Fehler 2. Ordnung, d.h. ein Fehler proportional zum Quadrat der Energieabweichung vom Soll strahl. Bei der Anordnung nach Fig. la kann zur Minimierung des chromatischen Fehlers die Waferlinse WL eingesetzt werden.b) In the arrangements according to FIGS. 1b and 2, as can be seen schematically from FIGS. 3a and 3b, there is also a compensation for the chromatic error by the effects of the two converging lenses LI and L2 for a certain image plane E behind that the second converging lens L2 arranged on the wafer W. A beam (shown in broken lines in FIG. 3) with slightly smaller energy E 0 - Δ E 0 than the target energy E 0 is deflected more strongly in the lens G3 or G2 + L1 containing the mask M than an beam with Target energy (shown in full lines) consequently hits and hits the lens L2 arranged in front of the wafer W in a larger axis than the target beam and is therefore deflected more strongly against the optical axis due to its lower energy, so that it is at a certain distance behind that in front of the wafer W arranged collecting lens L2 hits the target beam. The first order chromatic error disappears at this level E. There also remains a residual error, the 2nd order chromatic error, ie an error proportional to the square of the energy deviation from the target beam. In the arrangement according to FIG. 1 a, the wafer lens WL can be used to minimize the chromatic error.

c) Die drei relevanten Ebenen, nämlich die Gaußsche Bildebene der Maske M , die Ebene minimaler Verzeichnung (Fig. 1 und 2) und die Ebene minimalen chromatischen Fehlers (Fig. 3) werden im allgemeinen nicht zusammenfallen. Durch geeignete Wahl der Linsen und der Lage der Ionenquelle Q auf der ionen-optischen Achse kann jedoch erreicht werden, daß unter Beibehaltung des annähernd parallelen Strahlenganges am Ausgang der Linse L2 die genannten drei Ebenen zusammenfallen. Wird dann der Wafer W dort angeordnet, wo die drei Ebenen zusammenfallen, so bewirkt dies, daß sowohl die Verzeichnun Όg als auch der chromatische Fehler minimal werden.c) The three relevant levels, namely the Gaussian image level of the mask M, the level of minimal distortion (FIGS. 1 and 2) and the level of minimal chromatic error (FIG. 3) will generally not coincide. By a suitable choice of the lenses and the position of the ion source Q on the ion-optical axis, it can be achieved that the three planes mentioned coincide while maintaining the approximately parallel beam path at the output of the lens L2. If the wafer W is then arranged where the three planes coincide, this has the effect that both the distortion and the chromatic error are minimized.

Bei allen hier beschriebenen Ausfuhrungsformen mit Cross-over (Fig. la, Fig. 2, Fig. 6) wird am Cross-over eine möglichst hohe Teilchenenergie erzielt, was den Vorteil bringt, daß die sogenannten stochasti sehen RaumladungsefFekte minimiert werden. Der Cross-over liegt in allen Fällen im feldfreien Raum vor der Linse L2.In all of the embodiments described here with cross-over (FIG. 1 a, FIG. 2, FIG. 6), the highest possible particle energy is achieved at cross-over, which has the advantage that the so-called stochastic space charge effects are minimized. The cross-over is in all cases in the field-free space in front of the lens L2.

Stochastische Teilchenablenkungen werden zum Beispiel in der Arbeit "stochastic ray-deflections in focused particle beams" von A. Weidenhausen, Speer und H.Rose in Optik 69 (1985), Seiten 126 bis 134, behandelt. Der stochastische Raumladungseffekt führt zu Auflösungsfehlern bei der Abbildung, d.h. zu einer Verminderung der maximal erreichbaren Auflösung der lonenoptik. Die Stärke dieses Effekts hängt unter anderem von der Energie am Cross-over ab, und zwar nach obiger Arbeit gemäß δx^E5'4 wobei δx die Auflösungsverschlechterung undStochastic particle deflections are dealt with, for example, in the work "stochastic ray-deflections in focused particle beams" by A. Weidenhausen, Speer and H.Rose in Optik 69 (1985), pages 126 to 134. The stochastic space charge effect leads to resolution errors in the imaging, ie to a reduction in the maximum achievable resolution of the ion optics. The strength of this effect depends, among other things, on the energy at the cross-over, namely according to the above work according to δx ^ E 5 ' 4 where δx is the deterioration in resolution and

E die Energie der Ionen am Cross-over ist.E is the energy of the ions at the crossover.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Berechnungs-Ergebnisse für das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenprojektionslithographiesystems wie es in Fig.6 dargestellt wird. TABELLE IThe following table shows the calculation results for the exemplary embodiment of an ion projection lithography system according to the invention as shown in FIG. TABLE I

Abstand Quelle-Maske 1,6 m Abstand Maske- Wafer 2,2 m Bildfeldgröße auf der Maske 60x60 mm-**' Abbildungsmaßstab (Verkleinerung) 3: 1 Spannungsverhältnis an G2 1,082 Spannungsverhältnis an LI 18,16 Spannungsverhältnis zwischen der ersten und dritten Elektrode von L2 0,75 Spannungsverhältnis zwischen der ersten und zweiten Elektrode von L2 0, 1825Distance source-mask 1.6 m Distance mask-wafer 2.2 m image field size on the mask 60x60 mm - ** 'magnification (reduction) 3: 1 voltage ratio at G2 1.082 voltage ratio at LI 18.16 voltage ratio between the first and third electrodes of L2 0.75 voltage ratio between the first and second electrodes of L2 0.1825

max. Verzeichnung * <10 nm max. chromatische Verbreiterung 50 nm** 20 nm*** max. Strahldivergenz nach dem Linsensystem <2 mradMax. Distortion * <10 nm max. chromatic broadening 50 nm ** 20 nm *** max. Beam divergence according to the lens system <2 mrad

* max. Abweichung irgendeines Bildpunktes von der idealen Abbildung* Max. Deviation of any pixel from the ideal image

** für eine Energieverschmierung der Ionen am Ionenquellenausgang E/E=0.0003, wobei E die Energie der Ionen am Ausgang der Ionenquelle ist. *** für Ionenquellen, bei welchen die Ionen am Ausgang geringere** for energy smearing of the ions at the ion source outlet E / E = 0.0003, where E is the energy of the ions at the outlet of the ion source. *** for ion sources in which the ions at the exit are smaller

Energieverschmierung aufweisen, nämlich E E=0.0001.Have energy smear, namely E E = 0.0001.

Unter dem obigen Begriff Spannungsverhältnis zwischen zwei Elektroden einer Linse mit denUnder the above term voltage ratio between two electrodes of a lens with the

Potentialen Uj bzw. U2 ist das folgende Verhältnis zu verstehen:

Figure imgf000015_0001
Potentials Uj and U2 should be understood as the following relationship:
Figure imgf000015_0001

wobei U0 jenes Potential ist, bei welchem die kinetische Energie des geladenen Teilchens gleich Null wäre. where U 0 is the potential at which the kinetic energy of the charged particle would be zero.

Claims

Patentansprüche: Claims: I. Teilchen-, insbesondere ionenoptisches Abbildungssystem, bevorzugt für Lithographiezwecke, mit einer Teilchen-, insbes. Ionenquelle zur Abbildung einer auf einer Maskenfolie befindlichen Struktur in Gestalt einer oder mehrerer transparenter Stellen, insbesondere Öffnungen über mindestens zwei in Strahl richtung vor einem Wafer angeordnete elektrostatische Linsen auf den Wafer, wobei eine der Linsen eine sogenannte Gitterlinse ist, welche von einer oder zwei Rohrelektroden (R1.R2) und einer im Strahlengang angeordneten Platte mit Öffnungen gebildet ist, wobei die Platte normal zur optischen Achse (D) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte von der Maskenfolie (M) gebildet ist, welche die mittlere oder die in Strahlrichtung erste Elektrode der Gitterlinse bildet.I. Particle, in particular ion-optical imaging system, preferably for lithography purposes, with a particle, in particular ion source for imaging a structure located on a mask film in the form of one or more transparent locations, in particular openings via at least two electrostatic devices arranged in the beam direction in front of a wafer Lenses on the wafer, one of the lenses being a so-called grating lens, which is formed by one or two tube electrodes (R1.R2) and a plate with openings arranged in the beam path, the plate being arranged normal to the optical axis (D), thereby characterized in that the plate is formed by the masking film (M) which forms the middle or the first electrode of the grating lens in the beam direction. 2. Abbildlingssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang zwischen Maske und Wafer eine weitere Linse, welche aus einer im wesentlichen rohrförmigen Elektrode und einer Platte besteht, befindet, wobei die Platte vom Wafer gebildet wird, und die rohrförmige Elektrode unmittelbar vor dem Wafer positioniert ist.2. Imaging system according to claim 1, characterized in that there is a further lens in the beam path between the mask and the wafer, which consists of a substantially tubular electrode and a plate, the plate being formed by the wafer, and the tubular electrode immediately before the wafer is positioned. 3. Abbildlingssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske die mittlere Elektrode einer Dreielektroden-Gitterlinse ist, und die zweite Linse zwischen Maske und Wafer als Immersionslinse ausgebildet ist.3. Imaging system according to claim 1 or 2, characterized in that the mask is the central electrode of a three-electrode grating lens, and the second lens between the mask and the wafer is designed as an immersion lens. 4. Abbildungssystem nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske die mittlere Elektrode einer Dreielektroden-Gitterlinse ist, und die zweite Linse zwischen Maske und Wafer als asymmetrische Einzellinse ausgebildet ist.4. Imaging system according spoke 1 or 2, characterized in that the mask is the central electrode of a three-electrode grating lens, and the second lens between the mask and the wafer is designed as an asymmetrical single lens. 5. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske die erste Elektrode einer Zweielektroden-Gitterlinse ist, eine zweite, auf diese folgende Linse als Zweielektroden-Immersionslinse und eine dritte und letzte Linse zwischen Maske und Wafer als asymmetrische Einzellinse ausgebildet ist. 5. Imaging system according to claim 1, characterized in that the mask is the first electrode of a two-electrode grating lens, a second, subsequent lens as a two-electrode immersion lens and a third and last lens between the mask and the wafer is designed as an asymmetrical single lens. 6. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kreuzungspunkt der Ionen im feldfreien Raum befindet.6. Imaging system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the crossing point of the ions is in the field-free space. 7. Abbildungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen im Bereich des Kreuzungspunktes höher ist als auf dem Wafer.7. Imaging system according to claim 6, characterized in that the energy of the ions in the region of the crossing point is higher than on the wafer. 8. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang zwischen Maske und Wafer keinen Kreuzungspunkt aufweist. 8. Imaging system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beam path between the mask and the wafer has no crossing point.
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